通過沉浸式模擬，宇航員可以完善他們在太空行走中將要執(zhí)行的每一個(gè)動(dòng)作確保宇航員比以往任何時(shí)候都更好地為前往國際空間站、月球乃至更遠(yuǎn)地方的任務(wù)做好準(zhǔn)備。

VR/XR 在宇航員訓(xùn)練中的益處：

• 提高安全性： 可以在無風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境中練習(xí)復(fù)雜或危險(xiǎn)的操作程序。
• 節(jié)省成本和資源：減少了對實(shí)體模型、物流需求和人員配置的需求。
• 靈活且可擴(kuò)展： 可以輕松適應(yīng)各種不同的訓(xùn)練場景。
• 增加重復(fù)練習(xí)機(jī)會(huì)： 讓宇航員能夠反復(fù)練習(xí)，直至操作變得如同本能反應(yīng)。
• 提高時(shí)間效率： 縮短了整體訓(xùn)練時(shí)間并降低了日程安排的壓力。
• 增強(qiáng)沉浸感和參與度： 提供更具現(xiàn)實(shí)感和激勵(lì)性的訓(xùn)練體驗(yàn)。
• 提升空間定向能力： 改善在微重力環(huán)境中的心理空間定位能力。

太空行走，虛擬訓(xùn)練

執(zhí)行載人太空任務(wù)需要多年的準(zhǔn)備和數(shù)百小時(shí)復(fù)雜的訓(xùn)練模擬。任務(wù)的成功依賴于無懈可擊的執(zhí)行，容不得任何失誤。

與PaleBlue合作的零重力實(shí)驗(yàn)

這就是為什么歐洲航天局（ESA）位于德國科隆的歐洲宇航員中心一直在不斷尋找新的、創(chuàng)新的方法來提升宇航員的訓(xùn)練水平。

該中心專注于擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）、人工智能、量子技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)與機(jī)器人技術(shù)的團(tuán)隊(duì)，為ESA的宇航員開發(fā)先進(jìn)的可視化工具、交互式訓(xùn)練模塊和逼真的模擬場景。他們的主要目標(biāo)是創(chuàng)建高度沉浸式和富有吸引力的訓(xùn)練體驗(yàn)，以補(bǔ)充傳統(tǒng)的訓(xùn)練方法。

為了確保訓(xùn)練的最大準(zhǔn)確性和有效性，XR實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)在整個(gè)開發(fā)過程中與宇航員訓(xùn)練師和教員密切合作。這種緊密的合作關(guān)系確保每個(gè)沉浸式訓(xùn)練場景都能準(zhǔn)確反映宇航員在實(shí)際任務(wù)中將遇到的真實(shí)條件。

宇航員太空行走，為什么它如此復(fù)雜

當(dāng)宇航員為艙外活動(dòng)（EVA，即太空行走）做準(zhǔn)備時(shí)，每一個(gè)步驟和動(dòng)作都要經(jīng)過數(shù)千次的練習(xí)。這種訓(xùn)練資源密集、成本高昂且耗時(shí)，因?yàn)樗鼑?yán)重依賴于在美國國家航空航天局（NASA）中性浮力實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的大量物理練習(xí)。

位于休斯敦的這個(gè)大型水池設(shè)施內(nèi)有國際空間站（ISS）的詳細(xì)水下模型。宇航員們成對在那里訓(xùn)練，穿著經(jīng)過配重的專用宇航服，以確保他們既不會(huì)向上漂浮，也不會(huì)沉到水底。

這些訓(xùn)練環(huán)節(jié)至關(guān)重要，因?yàn)樘招凶咄ǔO其復(fù)雜：它們通常持續(xù)六到十個(gè)小時(shí)，涉及專用工具，并要求宇航員從氣閘艙導(dǎo)航到工作地點(diǎn)的復(fù)雜路徑。

傳統(tǒng)的水池訓(xùn)練存在固有的局限性。由于水的阻力、視覺提示的改變以及殘留的重力感等因素，水下模擬與真實(shí)太空條件存在差異。此外，設(shè)置這些訓(xùn)練環(huán)節(jié)需要采取廣泛的安全措施、安排支持人員的日程安排以及大量的準(zhǔn)備時(shí)間。

水下中性浮力訓(xùn)練

宇航員的一小步虛擬訓(xùn)練，訓(xùn)練領(lǐng)域的一大步

認(rèn)識到這些局限性，歐洲航天局（ESA）正在開發(fā)基于頭戴設(shè)備的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）模擬，專門用于補(bǔ)充現(xiàn)有的訓(xùn)練方法，例如中性浮力水池訓(xùn)練。借助虛擬現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，宇航員可以體驗(yàn)到真正的失重狀態(tài)，反復(fù)練習(xí)精確的動(dòng)作，并比傳統(tǒng)方法更有效地可視化復(fù)雜環(huán)境。

通過引入靈活且易于獲取的虛擬環(huán)境這一新型訓(xùn)練方式，宇航員可以在地面準(zhǔn)備期間緩解緊張的日程壓力，因?yàn)樗麄冊诘厍蛏系挠?xùn)練日通常漫長且充滿挑戰(zhàn)。

“鑒于這些復(fù)雜性，有機(jī)會(huì)通過虛擬現(xiàn)實(shí)模擬來補(bǔ)充物理訓(xùn)練是非常有益的。虛擬現(xiàn)實(shí)提供了一個(gè)額外的練習(xí)層次，讓宇航員能夠進(jìn)一步完善他們的操作程序。”歐洲航天局觸覺與XR工程師安德烈亞斯·特雷爾（Andreas Treuer）表示。

此外，VR/XR還可以模擬那些通過傳統(tǒng)方法幾乎不可能或不切實(shí)際重現(xiàn)的場景。例如，宇航員首次打開氣閘艙門，看到地球就在腳下，中間只有空蕩蕩的空間——這種體驗(yàn)在他們的首次太空行走中可能會(huì)令人不知所措。然而，通過提前在虛擬現(xiàn)實(shí)中體驗(yàn)這一場景，宇航員能夠熟悉這種情感和感官上的強(qiáng)烈沖擊，而這是水下模擬無法充分復(fù)制的。

國際空間站虛擬訓(xùn)練機(jī)械臂

沉浸式技術(shù)在機(jī)器人訓(xùn)練方面也具有顯著優(yōu)勢。在歐洲航天局的混合現(xiàn)實(shí)機(jī)器人訓(xùn)練解決方案JIVE中，宇航員可以虛擬練習(xí)操作和操縱國際空間站18米長的機(jī)械臂，由于巨大的基礎(chǔ)設(shè)施需求、安全風(fēng)險(xiǎn)和復(fù)雜的后勤保障，這一場景在地球上幾乎無法通過物理方式復(fù)制。通過戴上Varjo設(shè)備訪問虛擬模型，受訓(xùn)者可以以正確的比例和視角真實(shí)且安全地學(xué)習(xí)機(jī)械臂的操作。

國際空間站的Canadarm2機(jī)械臂

“我們開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練的主要目標(biāo)是為宇航員提供一個(gè)實(shí)用的工具，讓他們可以在安全的環(huán)境中練習(xí)程序，犯錯(cuò)誤而無需承擔(dān)后果，并根據(jù)需要多次重復(fù)練習(xí)，直到他們在真實(shí)環(huán)境中執(zhí)行這些任務(wù)?！睔W洲航天局XR軟件工程師弗洛里安·薩林（Florian Saling）表示。

這種訓(xùn)練方法的效果已經(jīng)顯現(xiàn)。歐洲航天局的XR實(shí)驗(yàn)室估計(jì)，大約一半原本通過傳統(tǒng)方法進(jìn)行的機(jī)器人訓(xùn)練現(xiàn)在可以通過XR模擬有效替代。這使得機(jī)器人操作的訓(xùn)練時(shí)間總體減少了約50%，同時(shí)沒有對表現(xiàn)產(chǎn)生負(fù)面影響，并保持了宇航員相同的高技能水平。歐洲航天局還與美國國家航空航天局（NASA）共享了這種訓(xùn)練軟件。

“我們的最終目標(biāo)是將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)推廣到每一個(gè)能夠有效支持宇航員活動(dòng)的領(lǐng)域?！?/span>弗洛里安·薩林（Florian Saling）

—————?dú)W洲航天局XR軟件工程師

虛擬修復(fù)國際空間站

除了機(jī)器人訓(xùn)練，歐洲航天局還使用多種關(guān)鍵軟件應(yīng)用程序來提供沉浸式的宇航員訓(xùn)練體驗(yàn)。其中之一是LUNA XR，這是一個(gè)大規(guī)模的模擬器和虛擬現(xiàn)實(shí)探索工具，能夠以高細(xì)節(jié)度重現(xiàn)月球景觀。

通過LUNA XR，受訓(xùn)者可以與各種元素互動(dòng)，甚至可以通過投擲方塊并觀察物體在低重力環(huán)境中的行為，親身體驗(yàn)月球重力。

另一個(gè)重要工具是艙外活動(dòng)（EVA）太空行走訓(xùn)練工具，它提供了宇航員在執(zhí)行太空行走任務(wù)時(shí)處理的不同部件的高細(xì)節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)可視化。這些模擬使受訓(xùn)者能夠熟悉國際空間站的內(nèi)外部環(huán)境。他們可以探索空間站的外部，以準(zhǔn)確了解在太空行走期間將要執(zhí)行任務(wù)的具體位置。

在空間站內(nèi)部，受訓(xùn)者可以研究內(nèi)部系統(tǒng)的詳細(xì)布局，包括技術(shù)機(jī)架、氣閘艙以及滅火器等應(yīng)急設(shè)備的位置。訓(xùn)練軟件甚至允許宇航員練習(xí)復(fù)雜的維護(hù)程序，例如更換氧氣傳感器或去離子化單元——這些是他們最終必須在空間站上執(zhí)行的任務(wù)。

真正讓宇航員接受的訓(xùn)練方式

歐洲航天局的XR實(shí)驗(yàn)室根據(jù)每位宇航員的個(gè)人訓(xùn)練目標(biāo)定制沉浸式訓(xùn)練場景。使用歐洲航天局的VR/XR解決方案進(jìn)行訓(xùn)練的宇航員通常會(huì)給出熱情的反饋，強(qiáng)調(diào)這些沉浸式體驗(yàn)很好地補(bǔ)充了傳統(tǒng)的訓(xùn)練方法。

VR/XR訓(xùn)練為他們提供了練習(xí)太空探索中標(biāo)志性和令人興奮的方面，比如執(zhí)行太空行走或控制機(jī)械臂。這些任務(wù)自然會(huì)激發(fā)他們的興趣并激勵(lì)他們。歐洲航天局的XR團(tuán)隊(duì)指出：“宇航員們非常喜歡使用這些VR應(yīng)用程序。它更具吸引力，與他們通常經(jīng)歷的其他訓(xùn)練類型完全不同?！盩reuer補(bǔ)充道。

根據(jù)歐洲航天局XR團(tuán)隊(duì)的說法，宇航員們能夠多次重復(fù)練習(xí)程序的機(jī)會(huì)，這使他們能夠?qū)⒚恳粋€(gè)動(dòng)作牢記于心，直至成為本能反應(yīng)。特雷爾表示：“這種精確的重復(fù)練習(xí)在其他訓(xùn)練方法中并不總是可能實(shí)現(xiàn)的?！?/span>

VR/XR在太空任務(wù)中的角色

歐洲航天局不僅在傳統(tǒng)的宇航員訓(xùn)練中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，還在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期階段利用這些技術(shù)來測試太空設(shè)備界面，并在開發(fā)早期識別出人體工程學(xué)或?qū)嶋H問題。他們還在建筑應(yīng)用中使用了沉浸式技術(shù)：

VR幫助項(xiàng)目經(jīng)理在建設(shè)之前就可視化并優(yōu)化歐洲航天局新月球模擬設(shè)施的布局，從而提前改進(jìn)設(shè)計(jì)。

展望未來，歐洲航天局的XR實(shí)驗(yàn)室正在探索VR/XR在許多新的操作用途中的應(yīng)用。他們目前專注于將混合現(xiàn)實(shí)能力整合到月球模擬中，使宇航員訓(xùn)練中的月球景觀更加沉浸式。歐洲航天局還計(jì)劃將VR/XR應(yīng)用擴(kuò)展到操作環(huán)境中，包括支持地面控制人員監(jiān)督和與國際空間站通信的工具。

VR技術(shù)還有潛力支持宇航員在長期太空任務(wù)中的心理健康：基于頭戴設(shè)備的沉浸式體驗(yàn)可以讓他們從狹小的環(huán)境中解脫出來，提供放松、娛樂甚至治療性用途。

“我們的最終目標(biāo)是將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)推廣到每一個(gè)能夠有效支持宇航員活動(dòng)的領(lǐng)域?！?/span>Saling表示。

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